王丹 WANG Dan
（河北省地质勘查基金项目管理中心，石家庄 050051）
（Hebei Geological Prospecting Fund Project Management Center，Shijiazhuang 050051，China）
摘要：本文以工程实例说明泥石流地质灾害勘查中基本特征值计算方法。
Abstract： This article demonstrates the calculation method of basic characteristic value in debris flow geological disaster exploration with practical engineering examples.
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关键词 ：泥石流；基本特征值；计算方法
Key words： debris flow；basic characteristics value；calculation method
中图分类号：P642.23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0188-03
作者简介：王丹（1980-），女，河北望都人，硕士研究生，中级工程师，研究方向为地质工程。
0 引言
泥石流属于一种突发性的地质灾害，它是山区特有的一种现象。泥石流中饱含着大量的泥沙石块和巨砾的固液两相流体，呈粘性层流或稀性紊流等运动状态，泥石流的发生是很多自然因素和人为因素综合作用的结果，通常发生在山区小流域。由于泥石流具有发生突然、来世凶猛、历时短暂、大范围冲淤、破坏力极强等特点，再加上其常伴随着大量泥沙块石，一旦发生泥石流会对人们的生命财产造成很大的威胁。
泥石流特征值是泥石流防治工程的主要设计依据，防治方案的确定和该取值有着直接的关系，只有保证泥石流特征值的准确性，才能确保防治方案的科学合理性。
本文主要是参考野外调查访问得出的沟道断面、堆积物、泥痕等特征计算泥石流基本特征值的，而计算指标的确定主要针对拟设泥石流治理工程的需要进行计算的，然后对不同断面的各项特征参数进行了计算，比如流速、流量、流体最大冲起高度、泥石流流体冲压力等。
1 泥石流形成条件
1.1 地形地貌及沟道条件
勘查区所处地貌单元为侵蚀构造山地区，流域分水岭最高海拔高程为682m，泥石流汇入主沟处最低海拔高程530m，相对高差，152m。
泥石流流域汇水面积0.03km2，沟长590m，平均坡降258‰，沟道较狭窄，岸坡较陡峻，沟谷下游为“U”型谷，上游呈“V”字形。
1.2 物源条件
该区泥石流松散固体物源较较少，物源分布较为集中，主要分布于沟道中上部岸坡处及沟道下游田坎堆积物源。
该区处于地壳相对稳定区，岩体风化程度较高，同时该区因私挖乱采产生的废弃渣石堆放于坡面之上，为泥石流的发生储存了固体物源。位于坡面的渣石砾径在3~10cm之间，坡脚大块石砾径30~60cm，坡面厚度在0.5~1m之间，渣坡坡脚长55m，高约20m，估算方量约1500m3，可启动物源方量约1400m2。
沟道内还存在居民种植农作物时干砌的田坎，这些田坎稳定性较差，在泥石流发生时也可能会被作为物源冲出，该段沟道长约100m，估算沟内耕植土、田坎及两侧山坡零星松散覆盖层方量总计约2400m3。可启动物源1800m2。
1.3 水源条件
勘查区正位于暴雨中心范围内。受地形影响该区降雨具有瞬时雨量大、暴雨集中、成灾雨强频发的特点。
该区地处温带大陆性季风气候，处于暴雨集中区，该区的1/6h、1h、24h多年最大暴雨量平均值分别为14mm、37mm、95mm，在P=5%的条件下，1/6h、1h、24h雨强可分别达到27.44mm、72.52mm、215.65mm，P=2%的条件下，1/6h、1h、24h雨强可分别达到32.48mm、85.84mm、266.95mm，很容易引发泥石流灾害。
2 泥石流基本特征值计算方法
2.1 泥石流流体重度
2.1.1 现场配浆法
该区泥石流为潜在泥石流，沟道内物源堆积物没有移动痕迹，所以本次勘查中未在该沟道内进行配浆试验，而是在临近沟道内参考勘查区西沟泥石流进行泥石流大重度配浆试验，配浆结果为1.57t/m3。
2.1.2 查表法
该区潜在泥石流易发程度为轻度易发，评分为80分，查表得泥石流重度为1.551t/m3。
2.1.3 综合取值
根据现场调查泥石流堆积物主要成分为碎石、卵砾石、砂及少量粉质粘土充填，可以看出，物质来源在结构特征上也以碎石、砾石、砂为主，鉴于上述特征推断，该区潜在泥石流为稀性泥石流。综合考虑确定泥石流重度为1.551t/m3。
2.2 泥石流流量
为了保证计算结果的公正性和客观性，应在不同位置，比如主要支沟沟口、勘查区不同沟段、拟设治理工程部位等，选择出四个典型断面部位进行泥石流流量的计算。
2.2.1 雨洪法
若与暴雨同频率、同步出现泥石流，此时断面的泥石流流量还包括暴雨洪水设计流量。其计算过程第一步是计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量，第二步是选用堵塞系数，计算泥石流流量。
①暴雨洪峰流量计算。
频率为P的暴雨洪水设计流量：
勘查区流域计算参数详见表1。
设计暴雨频率20年一遇24小时最大降雨量H24=215.65mm，1小时最大降雨量H1=72.52mm，10分钟最大降雨量H1/6=27.44mm；50年一遇24小时最大降雨量H24=266.95mm，1小时最大降雨量H1=85.84mm，10分钟最大降雨量H1/6=32.48mm。
②泥石流峰值流量计算。
Qc=（1+φ）QpDc
上式中各参数代表含义：φ代表泥沙修正系数（取0.516）；Qp代表暴雨洪峰流量；Dc代表堵塞系数；Qc代表泥石流断面峰值流量（m3/s）。
据此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表3。
2.2.2 综合取值
由于形态调查法计算结果没有考虑到暴雨频率的因素影响，只能代表当次泥石流的特征值，勘查区泥石流为潜在泥石流，沟域内未发现泥石流的泥痕等形态特征，而雨洪法由于具有预测性质，能够依据现有参数进行计算，所以，泥石流峰值流量采用表3雨洪法计算求得的结果。
2.3 泥石流流速计算
根据现场调查，松散堆积体主要为碎块石、砾石等物质，物质来源在结构特征上也以碎石、砾石为主，砂粘土充填，鉴于上述物源特征，以稀性泥石流为主，采用西南地区计算公式确定泥石流流速。
上式中各参数代表含义：Hc代表平均泥深（m）；Ic代表泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替；γH代表泥石流固体物质重度（t/m3）；n代表泥石流沟床糙率系数（取0.067）；φ代表泥石流泥沙修正系数；Vc代表泥石流流速（m/s）。
泥石流流速见表4流域各剖面泥石流流速计算表。
2.4 一次泥石流过流总量
一次泥石流过流总量按照计算公式进行计算：
Q=KTQc
当F>100 km2 K<0.0252
F=10～100 km2 K=0.0378
F=5～10 km2 K=0.113
F<5km2 K=0.202
据以上计算结果，确定泥石流峰值流量在20年一遇、50年一遇的暴雨强度下分别为1.281m3/s、1.533m3/s；泥石流历时约0.5小时，即T=1800s；按上式计算的本次泥石流冲出量分别为465.9m3、557.5m3。
2.5 一次泥石流固体冲出物
一次泥石流固体冲出物按照计算公式进行计算：
QH=Q（γc-γw）/（γH-γw）
上式中各项参数代表含义：Q代表一次泥石流过程总量（m3）；γc代表泥石流重度（t/m3）；γH代表泥石流固体物质的重度（t/m3）；γw代表水的重度（t/m3）；QH代表一次泥石流冲出固体物质总量（m3）。
据前面的计算结果和分析测试结果，泥石流暴发时泥石流冲出量在20年一遇、50年一遇的暴雨强度下为465.9m3、557.5m3，泥石流重度γc=1.551t/m3，水的重度γw=1 t/m3，泥石流固体物质重度γH=2.65t/m3，据此计算出固体物质冲出总量分别为155.6m3、186.2m3。
2.6 泥石流整体冲压力
泥石流整体冲压力公式计算：
上式中各项参数代表含义：λ代表建筑物形状系数，方形建筑物λ=1.47，矩形建筑物λ=1.33，圆形建筑物λ=1.0；γc代表泥石流重度（kN/m3）；α代表建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；Vc代表泥石流平均流速（m/s）；P代表泥石流冲压力（kN）。
计算过程主要选择拟布设拦挡工程部位各断面进行计算。本次勘查中主要以拟选坝位处进行计算，泥石流整体冲压力计算参数及计算结果详见表5。
2.7 泥石流爬高和最大冲起高度
泥石流爬高是指泥石流遇到反坡后，由于惯性作用依然直线前进的现象；泥石流的冲起是指泥石流遇阻后，其动能会瞬间转化成势能，撞击处的泥浆和石块飞溅起来的现象。由于客观原因的限制，很难调查清楚该沟泥石流的痕迹，所以只好以计算值作为设计依据。
泥石流爬高和最大冲起高度按照计算公式进行计算：
式中ΔHc—泥石流爬高（m）；
b—泥石流迎面坡度的函数。
Vc—泥石流平均流速（m/s）；
ΔH—泥石流最大冲起高度（m）。
此外仍选择拟设拦挡工程的断面进行计算，计算结果详见表6。
2.8 泥石流弯道超高
泥石流弯道超高有可能对凹岸产生强大的侵蚀作用，但由于本文中流通区段的沟道没有大的弯曲段（曲率半径在200m以上，弯道超高小于20cm），纵坡坡降较大，便于泥石流的下泄，而且沟内没有危胁对象，所以泥石流弯道超高不做考虑。
3 结论
计算泥石流特征值对与防治泥石流灾害具有重要的意义，但实际上要想准确计算泥石流特征值存在很大的难度，因此其计算结果往往存在一定的偏差。而要想准确计算泥石流特征值必须首先进行大量的现场勘查工作，然后通过多种方法的校核和验算，最大程度的保证其结果的准确性，进而为泥石流灾害防治工程提供可靠的设计参数。
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